遥测数据多硬盘并行存储方法的研究

　　摘 要: 针对遥测遥感数据码速率高、数据量大以及系统造价尽量低的要求，采用PC机控制多硬盘并行工作对遥测数据进行实时采集及存储，使数据存储只在缓冲存储器和硬盘数据端口之间进行，不占用系统机时。控制电路用EPLD集成，制成PC接口卡。

　　关键词: 遥测数据存储 多硬盘 并行

　　随着遥感遥测系统被测参数的迅速增加，其数据传输码速率越来越高，对数据存储系统的速度和容量都提出了更高的要求。以硬盘代替其它的存储介质实现遥测数据的无丢失存储，已经成为遥测领域数据存储研究的一个重要方面。采用单个硬盘对遥测数据进行存储，在存储容量及存储速率方面都有一定的限制，满足不了某些遥测数据传输速率及存储容量的要求。

　　基于以上原因，本文提出了采用PC机控制多硬盘并行工作形成磁盘阵列，存储容量及存储速率都有了很大提高。其最大优点是数据传输存储不经过主机，只在缓冲存储器和硬盘端口寄存器之间进行，极大地提高了数据的传输存储速度。主机只对存储系统进行逻辑控制和参数设置，节省了系统机时。

1 系统分析

　　由于硬盘的工作时序与遥测数据的速率不匹配，需要对遥测数据进行缓存，然后成块写入硬盘。缓存通常由高速静态RAM、或双端口RAM或FIFO完成，从容量及成本考虑，本系统采用静态RAM。

　　一个由一块硬盘构成的数据存储系统需要两块RAM配合数据缓存。假设PCM数据码速率为S(Mbps)，每一块缓存的容量为RKB，将每一块缓存的数据存入硬盘所需时间设为T秒，则有:

　　经串并转换后的并行数据速率为S₁=S/8Mbps，存满一块缓存时间：

　　为了不丢失数据，应该遵照写盘时间要小于PCM存满一块缓存时间的原则，即T₁≥T。考虑到硬盘的实际工作情况，T₁对T应该有余量，我们取T₁=1.1T，则单硬盘所能接收的最大码速率:

　　单硬盘的具体工作时序如图1所示。

　　若将PCM 遥测数据流提高到2SMbps，每块缓存仍为RKB，则PCM写完一块所需时间为T/2，将R KB的缓存数据写到硬盘仍需要T秒时间，遥测数据存满每一块缓存所用的时间为：

　　由此可以得出。这样，在读缓存写硬盘期间，需要2块容量为R(KB)的缓存才能暂存T时间内的输入数据。由于输入串行数据的码速率提高了一倍，写硬盘数据量也增加了一倍，而单硬盘的写盘速度已达极限，所以只能再增加一个硬盘并行工作。因此，在单硬盘达到存储速度极限时，要提高一倍码速率，只需要增加一块硬盘和一块缓存就可以满足2S(Mbps)速率的要求，其工作时序如图2所示。

　　由图2可以看出:用双硬盘三块RAM就可以使存储速率比单硬盘双RAM提高一倍。依次类推，每增加一块硬盘和一块RAM，数据存储速率就能提高一倍。若想对码速率为NS Mbps的遥测数据流进行存储，只需要N块硬盘、N+1块RAM即可实现。

2 硬件结构设计

　　本系统由遥测数据(PCM码)的采集和存储两部分组成。数据采集部分包括PCM码的串/并转换电路和采集控制电路。数据存储部分包括:读写缓冲地址产生电路、读写控制电路、数据选择电路、主存储电路。基于双硬盘并行工作的遥测数据存储系统的结构框图，如图3所示。其中数据总线有3组:A_d—串并转换后的数据到缓存的数据总线;B_d—缓存到硬盘1的数据总线;C_d—缓存到硬盘2的数据总线。地址总线有3组:A_a—输入数据存入缓存时的地址总线，由输入地址发生器产生;C_a—从缓存到硬盘1的数据读出地址总线，由输出地址发生器I产生;Da—从缓存到硬盘2的数据读出地址总线，由输出地址发生器II产生。数据选择隔离器和地址选择器的功能表如表1所示。

　　串行PCM数据流经过串并转换后输出到数据总线Ad上，通过数据选择隔离分时分别顺序写到RAM-I、RAM-Ⅱ和RAM-Ⅲ中，然后再分别写到硬盘1和硬盘2中。例如将输入数据写到RAM-I中，此时数据选择隔离I将A_d选择为RAM-I的E_d，地址选择器I将A_a选择为RAM-I的YI。当写满RAM-I后，输入地址发生器产生进位，以此来控制数据地址选择器的逻辑控制端:S_a1，S_a2，S_a3，S_b1，S_b2，S_b3，使数据选择隔离及地址选择器将输入缓存的数据存入下一片的缓存，即数据选择隔离II将Ad选择为RAM-II的Ed，地址选择器II将A_a选择为RAM-II的YII。同时，数据选择隔离I将RAM-I的E_d为B_d，并通向硬盘1;地址选择器I将C_a选择为RAM-I的YI，并启动输出地址发生器I，将RAM-I中的数据写入硬盘1。依此类推，接收的数据依次缓存到RAM-I、RAM-Ⅱ和RAM-Ⅲ，同时存满的数据依次轮流分别写到硬盘1和硬盘2中。

3 控制软件流程

　　在本系统中，磁盘阵列中的硬盘只作为控制计算机的从盘。当对遥测数据进行存储时，该从盘和遥测数据存储部分接通，而不干涉主机的工作。当遥测数据传输完毕之后，计算机又可以方便地访问遥测数据盘，对其进行正常的数据处理。软件流程如图4所示。

实验证明，遥测数据不经过PC机外部总线直接存入硬盘，可以达到硬盘的长时间无故障写盘的上限速度。由于每增加一个硬盘就可使存储速度提高一倍，理论上可以使系统整体存储速度达到串并转换器件的极限指标。采用适当的写盘方法，利用双硬盘对遥测数据进行存储速度可达到100mb/s，此时系统的存储速率主要由串并转换器件的速度决定。如果将pcm码的串并转换器替换为a/d转换器，就可组成高速数据采集存储系统，增加硬盘数量可继续提高数据存储速度。

参考文献

1 v.Catania，a.Puliafito，et al. Design and performance analysis of a disk array system.Ieee trans. On computers. 1995;44(10):1236～1247

2 吴芝路，任广辉等. 基于ide硬盘的高速数据存储器研究. 电子技术应用. 2000;26(5):16～17

3 赵雅琴.基于raid0方式的遥测数据存储技术研究.哈尔滨工业大学硕士学位论文.